Fitnessprogramm für alte Pumpen

Der Autor: Dieter Hofmann Geschäftsführer, plantIng

Noch immer arbeiten Pumpen mit einem Wirkungsgrad von 20 % und weniger in deutschen Anlagen – ökonomisch und ökologisch eine Katastrophe, da bis zu 86 % möglich sind. Laut Schätzungen von Pumpenlieferanten und der Internationalen Energieagentur werden aktuell zwischen 10 und 20 % des weltweit erzeugten Stroms von Pumpen verbraucht, ein Viertel davon in der Prozess- und Verfahrenstechnik. Allein in der deutschen chemischen Industrie wird die Gesamtzahl der Pumpen auf knapp eine halbe Million taxiert, davon über 80 % Kreiselpumpen.

Als unabhängiger Engineering-Dienstleister arbeitet plantIng im Kundenauftrag daran, Pumpen zu überprüfen, Verbesserungen zu konzipieren und sinnvolle Maßnahmen umzusetzen. Ein maßgeblicher Treiber der Nachfrage ist die Umsetzung der TA Luft bis 2014. In diesem Zuge analysieren und optimieren die Ingenieure die eingestuften Teilanlagen und Rohrleitungsstränge inklusive des damit verbundenen Equipments. Im Zentrum der Analyse stehen die Sicherheit, Umwelt, Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit der Anlage. Neben größerer Wartungsfreundlichkeit und geringeren Lärmemissionen liegen die Vorteile für den Kunden vor allem in den Bereichen Sicherheit, durch:

und Wirtschaftlichkeit. Dazu wird der Betriebspunkt und der damit verbundene Energieverbrauch überprüft, Frequenzumrichter, effizientere Pumpen und Antriebe eingesetzt.

Vordringlichen Handlungsbedarf gibt es bei älteren Anlagen der Petrochemie. Vor 30 Jahren war die Auswahl an Aggregaten noch begrenzt, es gab nur wenige Baureihen mit überschaubaren Laufradoptionen und Hydrauliken (Gehäusen) zur Auswahl. Hinzu kam die Sorge der damaligen Verantwortlichen vor einer Unterdimensionierung, bei der die notwendige Förderhöhe nicht erreicht wird und der Prozess zum Erliegen kommt – ein GAU für jeden Anlagenbetreiber. So schlugen häufig die betroffenen Gewerke einen Sicherheitsfaktor auf die exakt errechneten Ergebnisse auf. In der Folge wurden viele Pumpen und Antriebe überdimensioniert und mit einem schlechten Gesamtwirkungsgrad angeschafft. Zu den Investitionsausgaben summierten sich langfristig hohe Folgekosten für Wartung und Betrieb.

Inzwischen bieten alle Lieferanten flexible Baukastensysteme mit optimierter Hydraulik und optimiertem Laufrad an. Diverse Gehäusegrößen und beliebig anzupassende Laufraddurchmesser stehen zur Auswahl. Vielfältige Prozesse fordern individuelle Lösungen, und mit dem Feintuning kann jeder Prozentpunkt Wirkungsgrad aus der Anlage gepresst werden. Angesichts der hohen Strompreise machen sich diese Investitionen schnell bezahlt. So lässt sich die permanente Energievernichtung in Form von Wärme und Widerstand bei alten Aggregaten mit niedrigem Wirkungsgrad einfach hochrechnen. Immerhin 20 bis 30 % weniger Energieverbrauch sei möglich, sagt die Deutsche Energieagentur (Dena). So teilen sich zum Beispiel die Kosten wasserführender Pumpensysteme über den gesamten Lebenszyklus wie folgt auf: 8 % entfallen auf die Anschaffung, 10 % auf Wartung und Instandhaltung, die restlichen 82 % auf den Energieverbrauch.

Manchmal kommt es innerhalb der Hydraulik zu einer verstärkten Materialabnutzung (Auswaschung), wenn beispielsweise aggressive Medien mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten gefördert werden. Meistens müssen jedoch Pumpen aufgrund von steigenden Prozessanforderungen und/oder verschärften gesetzlichen Regelungen und Vorschriften (z. B. TA Luft oder Atex) komplett ausgetauscht werden. Durch die rasante Materialentwicklung kommen inzwischen aber auch Schnellläufer zum Einsatz, die zunehmend die großen, langsam laufenden Dauerläufer ersetzen. Erstere sind deutlich kleiner, entsprechend günstiger in der Anschaffung, benötigen deutlich geringeren Einbauraum und besitzen in der Regel einen besseren Wirkungsgrad. Zunehmend werden auch schlüsselfertige Aggregate eingesetzt. Diese haben die Pumpe und den Antrieb fix und fertig montiert und oft sogar schon einen Frequenzumformer integriert. Die Ausrichtung der Kupplung ist somit nicht mehr erforderlich, und sowohl der mechanische Einbau als auch der elektrische Anschluss werden dadurch erheblich vereinfacht.

Der Einsatz eines Frequenzumformers zählt zu den wirksamsten Stellhebeln bei der Effizienzsteigerung und unterbindet, ebenso wie die damals eigens hierfür entwickelten Softstarter, die schädlichen Anfahrströme. Diese können bis zum Achtfachen des normalen Nennstroms ansteigen, was dazu führt, dass die Windungen der Motoren heiß werden, sogenannte „Hot Spots“ entstehen und ein Bruch der Phase droht. Zudem geraten Sicherungen an ihre Grenzen, und Kabel sowie Querschnitte müssen größer dimensioniert werden.

Mittlerweile ist die Entwicklung der Frequenz-umformer so weit fortgeschritten, dass sie markttauglich und kostengünstig sind und zunehmend den Softstarter ersetzen. Neben den reduzierten Anfahrströmen besteht der wesentliche Vorteil darin, die Drehzahl flexibel zu gestalten und statt einer Pumpenkurve ein komplettes Pumpenkennfeld, also das Verhältnis von Förderstrom zur Förderhöhe in Abhängigkeit der Drehzahl, abfahren zu können. Liegen die Betriebspunkte der Anlage völlig außerhalb des Arbeitsbereiches der Pumpe, hilft auch die Drehzahlregelung nicht mehr weiter. Für große Pumpen bieten die Hersteller in einem solchen Fall einen sogenannten Retro-Fit an, wobei das bestehende Laufrad durch ein neues mit einer besseren Charakteristik ausgetauscht wird.

Trotz der vielen Möglichkeiten wird leider immer noch das Drosseln einer Anlagenkennlinie durch eine Armatur wie Schieber oder Absperrklappe als kostengünstige Alternative zum Frequenzumformer und Retro-Fit angesehen. Die permanente Vernichtung an Energie wird dabei häufig unterschätzt und billigend in Kauf genommen. Verglichen mit diesen mechanischen Regelungen wird die Durchflussmenge mit einem Frequenzumrichter wesentlich genauer und schneller gesteuert. Das spart nicht nur Energie und Kosten, sondern macht die Pumpe zudem reif für die direkte Interaktion. Sie fördert in der Folge nicht mehr am Bedarf vorbei, sondern wird ein „intelligenter“ Teil des Gesamtsystems. Beispielsweise kann eine Steuerungseinheit automatisch die Drehzahl bei bestimmten Prozessparametern vorgeben, sodass sich die Pumpe intelligent an den Prozess anpasst. In dieser Fähigkeit liegt auch das größte Potenzial bei der Energieeinsparung: Der umfassende Systemansatz bei der Optimierung soll „Energieintelligenz“ in eine Anlage hineinbringen. Allerdings sind die Effizienzgewinne extrem abhängig von der bestehenden Anlage und ihrer Auslegung. Immerhin lässt sich der Einzelfall mehr oder weniger genau kalkulieren: Die Forschungsstelle „Energieeffizienz“ berechnet exemplarisch und als Richtwert Investitionskosten für den Frequenz-umrichter in Höhe von 100 bis 200 Euro pro kW Pumpenleistung. Hinzu kommen Installationskosten, deren Höhe abhängig von den Rahmenbedingungen der Anlage ist. Das Einsparpotenzial bei einer Anpassung des Laufrades liegt je nach Reduzierung der Pumpen- und Motorleistung zwischen 10 und 40 %.

Die ganzheitliche Betrachtung ist umfangreicher, gilt jedoch als Königsweg: Selbst wenn alle Pumpen einer Anlage neu bewertet und modernisiert werden, ändert dies nichts an der grundlegenden Qualität der Prozesse. Die Pumpen laufen dann vielleicht perfekt, aber in einem nicht verbesserten Rahmen. Wer den Prozess nicht genau analysiert hat, wird kaum den exakten Bedarf formulieren können. Hinzu kommt, dass immer mehr Anlagenbetreiber auf schlüsselfertige Lösungen angewiesen sind, weil sie kaum noch eigene Rotating-Kompetenz vorhalten können. Derartige Übergänge und der Veränderungsdruck durch rechtliche Vorgaben wie TA Luft oder Atex bieten daher die Chance, den Ist-Zustand einer kritischen Prüfung zu unterziehen und ihn dem aktuellen Soll anzunähern. Durch die Unterstützung von erfahrenen Engineering-Spezialisten können Unternehmen die effiziente Einhaltung von Gesetzen gewährleisten, Betriebskosten senken und der Umwelt nachhaltig helfen.

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